JP7165153B2

JP7165153B2 - 低圧配電系統の電圧管理システム

Info

Publication number: JP7165153B2
Application number: JP2020027532A
Authority: JP
Inventors: 泰治久野; 瑛横井; 達矢寺澤
Original assignee: Energy Support Corp
Current assignee: Energy Support Corp
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2022-11-02
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: JP2021132499A

Description

本明細書は、低圧配電系統の電圧管理システムに関する技術を開示する。

特許文献１に、配電系統に電圧変動が生じた際、配電系統に無効電力を供給し、配電系統の電圧変動を抑制する（基準電圧に復帰させる）技術が開示されている。特許文献１では、ＳＶＣ（Static Var Compensator）、ＳＴＡＴＣＯＭ（Static Synchronous Compensator）といった電圧調整器（無効電力補償装置）を用いて配電系統に無効電力を供給している。

特開２０１８－０１９５１６号公報

近年、太陽光発電システム等の分散電源が急速に普及している。配電系統に接続される分散電源の数が増加すると、配電系統において短周期の逆潮流が頻繁に発生し、電圧調整器の調整幅を超えることがある。その結果、低圧配電系統（変圧器より下流の配電系統）の電圧を管理値（基準電圧）に維持できなくなることが起こり得る。一方、分散電源の急速な普及に対策するため、各分散電源にスマートインバータを取り付け、スマートインバータから配電系統（高圧配電系統または低圧配電系統）に無効電力を供給することが検討されている。しかしながら、スマートインバータから配電系統に無効電力を供給する際は、配電系統の電圧が急激に変化することを防止するため、無効電力の出力をゆっくりと一定速度で上昇（ソフトランプ応答）させる規定を導入することが検討されている。例えば米国では、スマートインバータから配電系統に無効電力を供給する際は、ソフトランプ応答させることが規格化されている（ＵＬ規格１７４１ＳＡ１１）。しかしながら、ソフトランプ応答では、配電系統の急激な電圧変化に対応することができない。そのため、新たな電圧管理システムを構築することが必要とされている。本明細書は、低圧配電系統の新たな電圧管理システムを提供することを目的とする。

本明細書で開示する電圧管理システムは、低圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持するために用いられる。電圧管理システムは、電圧調整器とスマートインバータを備えていてよい。電圧調整器は、配電系統に接続されているとともに、配電系統の電圧が所定範囲外となったときに配電系統に無効電力を供給し、低圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持してよい。スマートインバータは、配電系統に有効電力を供給する分散電源に配置されており、配電系統に無効電力を供給することが可能であってよい。この電圧管理システムでは、電圧調整器は、配電系統の電圧を所定範囲内に保持した後、配電系統の電圧を所定範囲内に回復させるために要した時間よりも長い時間をかけて配電系統への出力を設定値まで低下させてよい。

本明細書では、他の電圧管理システムも提供する。その電圧管理システムは、低圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持するために用いられる。電圧管理システムは、電圧調整器とスマートインバータを備えていてよい。電圧調整器は、配電系統に接続されているとともに、配電系統の電圧が所定範囲外となったときに配電系統に無効電力を供給し、低圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持してよい。スマートインバータは、配電系統に有効電力を供給する分散電源に配置されており、配電系統に無効電力を供給することが可能であってよい。この電圧管理システムでは、電圧調整器は、配電系統の電圧を所定範囲内に保持した後、配電系統の電圧をスマートインバータが配電系統に無効電力を供給する状態に維持し、配電系統への出力を設定値まで低下させてよい。

電圧管理システムの概略図を示す。配電系統に対する電圧調整器及びスマートインバータの出力を示す。第１電力管理方法のフローチャートを示す。第２電力管理方法のフローチャートを示す。

本明細書で開示する電圧管理システムは、配電系統への負荷接続、分散電源による配電系統への有効電力の供給等により低圧配電系統の電圧が所定範囲外になったときに、低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復（復帰）させ、低圧配電系統の電圧を所定範囲内に維持するために用いられる。なお、分散電源の一例として、太陽光発電装置が挙げられる。電圧管理システムは、電圧調整器とスマートインバータを備えていてよい。電圧調整器は、配電系統の電圧変動に応じて配電系統に無効電力を供給することが可能な機器であってよい。電圧調整器として、例えば、ＳＶＣ、ＳＴＡＴＣＯＭ等が挙げられる。電圧調整器は、配電系統の電圧が所定範囲外になったときに、能動的に（制御装置等からの指令を受けずに）配電系統に無効電力を供給してよい。電圧調整器から配電系統に無効電力を供給することにより、低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復することができる。電圧調整器は、変圧器より上流の高圧配電系統に接続されていてもよいし、変圧器より下流の低圧配電系統に接続されていてもよい。すなわち、電圧調整器は、高圧配電系統に無効電力を供給してもよいし、低圧配電系統に無効電力を供給してもよい。

電圧調整器は、数ｍ秒から十数ｍ秒で、配電系統の電圧を所定範囲内に回復してよい。すなわち、電圧調整器は、数ｍ秒から十数ｍ秒で、無効電力の出力を目的の出力まで上昇させてよい。電圧調整器は、配電系統に無効電力を供給した後、配電系統に供給している無効電力の出力を低下させてよい。具体的には、電圧調整器は、配電系統の電圧を所定範囲内に回復させるために要した時間（数ｍ秒から十数ｍ秒）よりも長い時間（例えば、数百ｍ秒から数十秒）かけて、配電系統への出力を設定値まで低下させさせてよい。「設定値」は、再度配電系統の電圧が所定範囲外になったときに、配電系統の電圧を所定範囲内に回復し得る容量が確保される値に設定されていてよい。設定値は、電圧調整器の能力に応じて決められた固定値であってよい。

電圧調整器が配電系統に対する出力を低下させていくと、配電系統の電圧が変動していく。スマートインバータは、Volt-Var機能を有するので、配電系統の電圧が変動すると、配電系統に無効電力を供給する。スマートインバータからの無効電力の供給により、配電系統の電圧は、電圧調整器の出力低下速度より遅い速度で変動する。電圧調整器は、配電系統に対する出力が設定値まで低下したときに、配電系統に対する出力を保持してよい。また、電圧調整器は、出力が設定値まで低下したときの配電系統の電圧を管理基準値（例えば、上記所定範囲の中央値）に設定してよい。電圧調整器は、出力が設定値まで低下しているので、次に配電系統の電圧が所定範囲外になったときに、配電系統に供給する余力（無効電力の残量）を確保することができる。また、電圧調整器が配電系統に対する出力を保持すると、配電系統の電圧が変動しなくなり、配電系統に対するスマートインバータの出力も保持される。

あるいは、電圧調整器は、配電系統の電圧を所定範囲内に回復させた後、配電系統の電圧を変動させ、スマートインバータから配電系統に無効電力を供給させてよい。また、電圧調整器は、配電系統の電圧を変動させながら、配電系統に対する出力を設定値まで低下させてよい。スマートインバータは、Volt-Var機能により、電圧調整器の出力が設定値に低下するまで、配電系統に無効電力を供給し続ける。なお、電圧調整器は、配電系統に対する出力が設定値まで低下したときに、配電系統に対する出力を保持してよい。その結果、配電系統の電圧が変動しなくなり、配電系統に対するスマートインバータの出力も保持される。なお、電圧調整器が配電系統の電圧を変動させてから配電系統に対する出力を保持するまでの時間は、スマートインバータが無効電力を配電系統に供給する速度に依存する。スマートインバータは無効電力の出力をゆっくりと一定速度で上昇（ソフトランプ応答）させるので、電圧調整器が配電系統の電圧を変動させてから配電系統に対する出力を保持までの時間は、配電系統の電圧を所定範囲内に回復させるために要した時間（数ｍ秒から十数ｍ秒）よりも長い時間（例えば、数百ｍ秒から数十秒）となる。

スマートインバータは、配電系統に有効電力を供給することが可能な分散電源に設けられていてよい。配電系統に複数の分散電源が接続されている場合、スマートインバータは、複数の分散電源の各々に設けられていてよいし、複数の分散電源のうちの一部の分散電源に設けられていてもよい。なお、スマートインバータは、電圧調整器と同じ配電系統、すなわち、電圧調整器が高圧配電系統に無効電力を供給する場合は高圧配電系統に、電圧調整器が低圧配電系統に無効電力を供給する場合は低圧配電系統に無効電力を供給してよい。すなわち、電圧調整器及びスマートインバータは、高圧配電系統と低圧配電系統のいずれか一方に接続されていてよい。電圧調整器及びスマートインバータが低圧配電系統に接続されていれば、低圧配電系統の電圧を直接制御（管理基準値に維持）することができる。なお、典型的に、高圧配電系統の電圧が所定範囲外（管理基準値外）に変動すると、低圧配電系統の電圧も所定範囲外（管理基準値外）に変動する。そのため、電圧調整器、及び／又は、スマートインバータが高圧配電系統に接続（高圧配電系統に無効電力を供給）する場合であっても、高圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持することにより、結果として低圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持することができる。

上記したように、配電系統に電圧調整器を接続することにより、配電系統の急激な電圧変動に対応することができる（低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復することができる）。しかしながら、電圧調整器は、常に余力（出力可能な無効電力）を確保しておかないと、配電系統に急激な電圧変動が発生したときに無効電力出力が不足し、配電系統の電圧を管理値（基準電圧）に維持できなくなることが起こり得る。しかしながら、本明細書で開示する電圧管理システムは、スマートインバータが配電系統に無効電力を供給することにより、電圧調整器が常に余力を確保した状態を維持することができる。すなわち、スマートインバータのVolt-Var機能を利用してスマートインバータに配電系統に対して無効電力を供給させることにより、電圧調整器は，配電系統の電圧調整を行うために必要な無効電力量を常に確保することができる。

図１を参照し、電圧管理システム１００について説明する。電圧管理システム１００は、ＳＴＡＴＣＯＭ（電圧調整器）２０と、複数のスマートインバータ１２を備えている。ＳＴＡＴＣＯＭ２０及びスマートインバータ１２は、低圧配電系統３２に接続されている。低圧配電系統３２は、変圧器（ポールトランス）Ｔｒを介して高圧配電系統３０に接続されている。一例として、日本では、高圧配電系統３０の電圧は６．６ｋＶであり、低圧配電系統３２の電圧は１００Ｖまたは２００Ｖである。また、一例として、米国では、高圧配電系統３０の電圧は１２ｋＶであり、低圧配電系統３２の電圧は１２０Ｖまたは２４０Ｖである。なお、高圧配電系統３０及び低圧配電系統３２には、各々負荷３４，３６が接続される。スマートインバータ１２は、太陽光発電装置１０に取り付けられている。全てのスマートインバータ１２が低圧配電系統３２に無効電力を供給可能であり、全ての太陽光発電装置１０が低圧配電系統３２に発電した有効電力を供給可能である。スマートインバータ１２は、低圧配電系統３２の電圧が変動すると、Volt-Var機能により、低圧配電系統３２に無効電力を供給する。

ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２に供給する無効電力の出力を変化させ、低圧配電系統３２の電圧を所定範囲内に維持する。そのため、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２に対する負荷３６の接続、あるいは、低圧配電系統３２に対する太陽光発電装置１０からの有効電力の供給により、低圧配電系統３２の電圧が所定範囲外に変動すると、低圧配電系統３２に無効電力を供給し、低圧配電系統３２の電圧を所定範囲内に維持する（回復させる）。また、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２の電圧を所定範囲内に回復させた後、低圧配電系統３２に対する出力を変化させることができる。さらに、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２の電圧を所定範囲内に回復させた後、低圧配電系統３２の電圧を変動させることもできる。この場合も、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２に対する出力を変化させ、低圧配電系統３２の電圧を変動させる。

（第１電圧管理方法）
図２及び図３を参照し、電圧管理システム１００を利用した電力管理方法を説明する。以下の説明では、低圧配電系統３２の電圧が低下して管理基準値（所定範囲）を外れた場合について説明する。低圧配電系統３２の電圧が管理基準値Ｖ０（幅を持った値）に維持されている場合、ＳＴＡＴＣＯＭ２０の出力は、出力Ｂ１（ｖａｒ）に保持されている（ステップＳ２，タイミングｔ０～ｔ１）。出力Ｂ１は、低圧配電系統３２に電圧変動が生じたときに、電圧変動を補償（回復）する余力（無効電力の残量）を有した状態に設定されている。ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、常に低圧配電系統３２の電圧を検出しており、低圧配電系統３２の電圧が管理基準値Ｖ０を満足している間（ステップＳ４：ＹＥＳ）、出力を出力Ｂ１に保持し続ける。なお、出力Ｂ１は、例えば０ｖａｒであってよいし、一定の値であってもよい。また、ＳＴＡＴＣＯＭ２０の出力が出力Ｂ１に保持されている間（タイミングｔ０～ｔ１）、スマートインバータ１２の出力は、出力Ａ１（ｖａｒ）に保持されている。出力Ａ１も、例えば０ｖａｒであってよいし、一定の値であってもよい。

ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２の電圧が管理基準値Ｖ０を外れたことを検知すると（ステップＳ４：ＮＯ，タイミングｔ１）、低圧配電系統３２に無効電力を供給し、低圧配電系統３２の電圧を管理基準値Ｖ０に回復させる（ステップＳ６，タイミングｔ１～ｔ２）。ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、数十ｍ秒以内に低圧配電系統３２の電圧を管理基準値Ｖ０に回復させる。

次に、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２に対する出力を、出力Ｂ１まで除々に低下させていく（ステップＳ８，タイミングｔ２～ｔ４）。図２に示すように、ＳＴＡＴＣＯＭ２０の出力低下に伴って、低圧配電系統３２の電圧が低下する。その結果、スマートインバータ１２が、低圧配電系統３２に無効電力の供給を開始する（ステップＳ１０，タイミングｔ３）。

スマートインバータ１２は、低圧配電系統３２に対して無効電力の供給を数百ｍ秒～数十秒行う。スマートインバータ１２は、低圧配電系統３２に対する出力をゆっくりと一定速度で上昇（ソフトランプ応答）させる。なお、スマートインバータ１２は、常に低圧配電系統３２の電圧を検出しており、低圧配電系統３２の電圧が変動している間、低圧配電系統３２に無効電力を供給する（タイミングｔ３～ｔ４）。すなわち、ＳＴＡＴＣＯＭ２０の出力が出力Ｂ１まで低下していない場合（ステップＳ１２：ＮＯ，タイミングｔ２～ｔ４）、低圧配電系統３２の電圧が低下し続けるので、スマートインバータ１２は低圧配電系統３２に無効電力を供給し続ける（出力を上昇させ続ける）。

ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２に対する出力が出力Ｂ１まで低下すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ，タイミングｔ４）、低圧配電系統３２に対する出力を保持（固定）する（ステップＳ１４：ＹＥＳ，タイミングｔ４以降）。その結果、低圧配電系統３２の電圧が変動しなくなり、スマートインバータ１２の出力も保持される。また、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２に対する出力を保持したときの低圧配電系統３２の電圧Ｖ１を、管理基準値として記憶する。すなわち、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、次に低圧配電系統３２の電圧が管理基準値Ｖ１を外れたことを検知すると、低圧配電系統３２に無効電力を供給し、低圧配電系統３２の電圧を管理基準値Ｖ１に回復させる。なお、管理基準値Ｖ１を外れた後に回復させる電圧は、管理基準値Ｖ０に設定することもできる。

第１管理方法では、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２の電圧を回復させた後、自身の出力を出力Ｂ１まで除々に低下させるだけで、スマートインバータ１２に無効電力の供給を促し、自身は無効電力を確保することができる。第１管理方法によると、ＳＴＡＴＣＯＭ２０が出力を出力Ｂ１まで低下させるという簡単な制御（動作）で、ＳＴＡＴＣＯＭ２０の無効電力が枯渇することを防止することができ、低圧配電系統３２の電圧が管理基準値を外れたときに低圧配電系統３２に確実に無効電力を供給することができる。

（第２電圧管理方法）
図４を参照し、第２電圧管理方法について説明する。第２電圧管理方法は、第１電圧管理方法の変形例である。そのため、以下の説明において、第１電圧管理方法と実質的に同一の工程については、重複説明を省略することがある。なお、第２電圧管理方法においても、低圧配電系統３２に対するＳＴＡＴＣＯＭ２０及びスマートインバータ１２の出力は、図２に示すタイミングチャートのように変化する。以下の説明では、必要に応じて図２も参照する。

第２電圧管理方法において、低圧配電系統３２の電圧が管理基準値Ｖ０に維持されている間はＳＴＡＴＣＯＭ２０の出力を出力Ｂ１に保持し、低圧配電系統３２の電圧が管理基準値Ｖ０外になったときにＳＴＡＴＣＯＭ２０が低圧配電系統３２に無効電力を供給するまでの工程（ステップＳ２２～ステップＳ２６，タイミングｔ０～ｔ２）は、第１電圧管理方法のステップＳ２～ステップＳ６と同一である。

第２電圧管理方法では、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２の電圧を回復した後、低圧配電系統３２の電圧を除々に低下させ始める（ステップＳ２８，タイミングｔ２）。さらに、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２の電圧が低下する（変動する）状態を維持したまま、低圧配電系統３２に対する出力を出力Ｂ１まで除々に低下させていく（ステップＳ３０，タイミングｔ２～ｔ４）。低圧配電系統３２の電圧が低下（変動）すると、スマートインバータ１２が、低圧配電系統３２に対して無効電力の供給を開始する（ステップＳ３２，タイミングｔ３）。その後の工程（ステップＳ３２～ステップＳ３６）は、第１電圧管理方法のステップＳ１０～Ｓ１４と実質的に同一である（図３も参照）。

第２電圧管理方法は、低圧配電系統３２の電圧を管理基準値Ｖ０に維持するためのＳＴＡＴＣＯＭ２０が積極的に低圧配電系統３２の電圧を管理基準値Ｖ０外に変動させるという点において、従来とは全く異なる電圧管理方法といえる。

上記した第１及び第２管理方法は、何れも、低圧配電系統３２の電圧が管理基準値Ｖ０を外れたときに、ＳＴＡＴＣＯＭ２０が、低圧配電系統３２の電圧を即座に管理基準値Ｖ０に回復させる。また、第１及び第２管理方法によると、ＳＴＡＴＣＯＭ２０は、低圧配電系統３２の電圧が再度管理基準値Ｖ０を外れた場合に備え、低圧配電系統３２に供給可能な無効電力を確保することができる。すなわち、ＳＴＡＴＣＯＭ２０が、低圧配電系統３２に電圧を供給するための余力を確保することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：分散電源
１２：スマートインバータ
２０：電圧調整器（ＳＴＡＴＣＯＭ）
３０：高圧配電系統
３２：低圧配電系統
５０：制御装置
１００：電圧管理システム

Claims

低圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持するための電圧管理システムであって、
前記低圧配電系統に接続されているとともに、前記低圧配電系統の電圧が所定範囲外となったときに前記低圧配電系統に無効電力を供給し、前記低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復させる電圧調整器と、
前記低圧配電系統に接続されているとともに、前記低圧配電系統において前記電圧調整器よりも下流に配置されており、前記低圧配電系統に有効電力を供給する分散電源と、
前記分散電源に配置されており、Volt-Var機能を有し、前記低圧配電系統の電圧変動に伴い前記低圧配電系統に無効電力を供給するスマートインバータと、
を備えており、
前記電圧調整器は、前記低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復させた後、前記低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復させるために要した時間よりも長い時間をかけて前記低圧配電系統への出力を設定値まで低下させる電圧管理システム。
低圧配電系統の電圧を所定範囲内に保持するための電圧管理システムであって、
前記低圧配電系統に接続されているとともに、前記低圧配電系統の電圧が所定範囲外となったときに前記低圧配電系統に無効電力を供給し、前記低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復させる電圧調整器と、
前記低圧配電系統に接続されているとともに、前記低圧配電系統において前記電圧調整器よりも下流に配置されており、前記低圧配電系統に有効電力を供給する分散電源と、
前記分散電源に配置されており、Volt-Var機能を有し、前記低圧配電系統の電圧変動に伴い前記低圧配電系統に無効電力を供給するスマートインバータと、
を備えており、
前記電圧調整器は、前記低圧配電系統の電圧を所定範囲内に回復させた後、前記低圧配電系統の電圧を所定範囲外に変動させ、前記スマートインバータのVolt-Var機能を利用して前記スマートインバータに対して前記低圧配電系統に無効電力を供給させ、前記低圧配電系統への出力を設定値まで低下させる電圧管理システム。